Zeitverzögerungen in der Analysentechnik beherrschen: Genau messen und mindern

Zeitverzögerung in einem analytischen Instrumentierungssystem verstehen und messen

Karim Mahraz

Zeitverzögerung in Probensystemen ist die häufigste Ursache für unpassende Ergebnisse von Prozessanalysatoren. Prozessmessungen sind instantan, aber Analysatorantworten nicht. Es gibt immer eine Zeitverzögerung vom Entnahmepunkt bis zum Analysator. Das Potenzial für Zeitverzögerung besteht in folgenden Abschnitten eines analytischen Instrumentierungs- (AI-) Systems, wie im unten gezeigten Bild dargestellt: Prozessleitung, Entnahmepunkt und Lanze, Feldstation, Transportleitung, Probenkonditionierungssystem, Stromumschaltsystem und Analysator.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Zeitverzögerung kumulativ ist. Sie besteht aus der gesamten Zeit, die ein Fluid benötigt, um von der Prozessleitung zum Analysator zu gelangen, einschließlich der für die finale Analyse erforderlichen Zeit. Beispiel: Wenn der Gaschromatograph fünf Minuten für die Analyse einer Probe benötigt, müssen diese fünf Minuten nicht nur zur Zeitverzögerung im Probenkonditionierungssystem und Stromumschaltsystem addiert werden, sondern auch zur Verzögerung in den Transportleitungen, der Feldstation, dem Entnahmepunkt und der Lanze. Dieser Zwischensumme muss dann die Zeit hinzugefügt werden, die das Fluid benötigt, um von der überwachten Prozesseinheit zum Entnahmepunkt zu gelangen. Es ist die Gesamtzeit von der überwachten Prozesseinheit bis zum Analysator, die zählt.

Leider wird Zeitverzögerung oft unterschätzt, nicht berücksichtigt oder missverstanden. In vielen Fällen ist Zeitverzögerung für Analysatorspezialisten und Techniker unsichtbar, die darauf fokussiert sind, die Probe für den Analysator geeignet zu machen. Analysatorspezialisten können annehmen, die analytische Messung sei instantan. Doch Probenahmesysteme erreichen oft nicht den Industriestandard einer einminütigen Antwort, was reichlich Gelegenheit für Zeitverzögerung schafft. Es ist immer am besten, Zeitverzögerung zu minimieren, auch bei langen Zykluszeiten, aber Verzögerungen, die den Industriestandard überschreiten, sind nicht unbedingt ein Problem. Der Prozessingenieur muss akzeptable Verzögerungszeiten basierend auf Prozessdynamik bestimmen.

Zeitverzögerungen werden zum Problem, wenn sie die Erwartungen eines Systemdesigners übersteigen. Eine schlechte Schätzung oder falsche Annahme über Zeitverzögerung führt zu inferiorer Prozesskontrolle. Das Verstehen der Ursachen von Zeitverzögerung und das Erlernen ihrer Berechnung oder Approximation innerhalb eines vernünftigen Fehlerrahmens kann sowohl Verzögerung reduzieren als auch die gesamte Systemreaktionsfähigkeit verbessern.

Prozessleitungen, Entnahmepunkte, Fast Loops und Transportleitungen für maximale Effektivität platzieren

Zur Reduzierung der Zeitverzögerung ist es generell am besten, den Entnahmepunkt so nah wie möglich am Analysator zu platzieren, obwohl dies nicht immer machbar ist. Der Entnahmepunkt sollte stromaufwärts von Verzögerungsquellen wie Fässern, Tanks, Toten Beinen, stagnierenden Leitungen oder redundanter/veralteter Ausrüstung (die zur Verbesserung des Flusses eliminiert werden sollte) liegen. In manchen Fällen kann der Entnahmepunkt aufgrund der genannten Variablen nicht nahe am Prozessanalysator spezifiziert werden. Ist der Entnahmepunkt weit vom Analysator entfernt, wird ein Fast Loop empfohlen, um Fluid schnell zum Analysator zu liefern. Bei korrektem Design wird der Fluss im Fast Loop viel schneller sein als der durch die Analysatorleitungen.

Drücke reduzieren, um Zeitverzögerung zu verringern

Bei Gasnutzung ist eine Feldstation ein Mittel zur Druckreduzierung in Transportleitungen oder Fast Loop. Bei gleicher Durchflussrate verringert sich die Zeitverzögerung in den Transportleitungen proportional zur Reduktion des Absolutdrucks. Bei halbem Druck gibt es die halbe Zeitverzögerung. Die Feldstation sollte so nah wie möglich am Entnahmepunkt platziert werden. Je früher der Druck gesenkt wird, desto besser.

Bei einer Flüssigprobe wird an der Feldstation kein Regelventil eingesetzt. Flüssigkeiten sollten unter hohem Druck gehalten werden, um Blasenbildung zu vermeiden. Wenn eine Flüssigprobe als Gas analysiert wird, kann ein Verdampfungsregler an der Feldstation verwendet werden. Dies verursacht jedoch erhebliche Zeitverzögerung. Beim Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas steigt das Volumen dramatisch. Die Steigerungsrate hängt vom Molekulargewicht der Flüssigkeit ab.

Typischerweise wird der gemessene Dampfdurchfluss nach dem Regler >300-mal so hoch sein wie der Flüssigdurchfluss vor dem Verdampfungsregler. Beispiel: Bei einem Dampfdurchfluss von 500 cm³/min kann der Flüssigdurchfluss unter 2 cm³/min liegen. Daher benötigt die Flüssigkeit 25 Minuten für 10 Fuß (ca. 3 m) 1/4-Zoll-Rohr. Um diese Zeit zu reduzieren, müssen wir das Volumen der dem Regler vorangehenden Rohrleitung verringern. Beispielsweise mit nur 1 Fuß (30,5 cm) 1/8-Zoll-Rohr (3,2 mm) dauert es nur 30 Sekunden, bis die Flüssigkeit den Regler erreicht. Hinzu kommt jedoch die Zeitverzögerung in der Lanze. Je schmaler die Lanze, desto schneller die Antwort.

Ein weiteres Mittel für schnellere Antwort ist, den Verdampfer mit Hilfe eines Flüssig-Fast-Loops näher an den Analysator zu verlegen. Installieren Sie einen Regler nach dem Fast-Loop-Filter mit einem zweiten Flüssig-Fast-Loop, um sicherzustellen, dass positiver Fluss bis zum Verdampfungsregler anhält. Ziel ist, das Volumen langsam fließender Flüssigkeit zum Regler zu minimieren.

Stromumschaltung (Stream Switching)

Um so viel Zeitverzögerung wie möglich zu vermeiden, müssen Stromumschaltungsbaugruppen schnell arbeiten, altes Probenmaterial zügig spülen und den neuen Strom zum Analysator bewegen. Double-Block-and-Bleed (DBB) Ventilkonfigurationen, die heute in konventionellen Komponenten oder miniaturisierten, modularen Designs verfügbar sind, bieten ein Mittel zur Stromumschaltung mit minimalen Toten Beinen und ohne Querstromkontamination durch undichte Ventile.

Eine traditionelle DBB-Konfiguration ist das kaskadierende DBB, wie im untenstehenden Diagramm zu sehen. Das kaskadierende DBB eliminiert Tote Beine, indem es anstelle eines T-Stücks ein zweites Absperrventil verwendet.

Bei Verwendung einer DBB-Kaskadenkonfiguration muss der Strömungspfad berücksichtigt werden, da diese Konfiguration zu Druckabfall und langsamerem Fluss führen kann. Der Druckabfall kann durch Nachschlagen des Produkts Cv geschätzt werden, ein Maß für den Strömungswiderstand. Je niedriger der Cv, desto größer der Druckabfall, was zu einer niedrigeren Durchflussrate führt.

In der DBB-Kaskadenkonfiguration verursacht der Primärstrom – Strom 1 – keinen übermäßigen Druckabfall, aber Strom 2, Strom 3 usw. erzeugen zunehmende Druckabfälle und längere Strömungspfade, was zu progressiv längeren Laufzeiten zum Auslass führt. Das Resultat sind inkonsistente Lieferzeiten von den verschiedenen Strömen, was konsistente Spülzeiten für alle Ströme erschwert.

Die DBB-Konfiguration mit integriertem Strömungskreis, wie im untenstehenden Diagramm gezeigt, ermöglicht alle Vorteile der DBB-Kaskadenkonfiguration bei gleichzeitig minimalem Druckabfall konsistent über alle Ströme. Der Cv für jeden Strom – und damit die Lieferzeit für jeden Strom – wird gleich sein. Beachten Sie: Eine Komponente mit Cv 0,3 verursacht ein Drittel des Druckabfalls einer mit Cv 0,1.

Probenkonditionierungssysteme

Das Probenkonditionierungssystem bereitet die Probe für die Analyse vor, indem es sie filtert, sicherstellt, dass sie in der richtigen Phase ist, und Druck, Durchfluss und Temperatur anpasst. Um dies in einem kompakten Formfaktor zu tun, nutzt das System viele relativ kleine Komponenten, einschließlich Messgeräte, Regler, Variable-Area-Durchflussmesser, Durchflussregler, Rückschlagventile, Regelventile und Kugelhähne. Häufig werden auch miniaturisierte modulare Komponenten als kompakte Lösung für enge Räume eingesetzt. Diese top-montierten Komponenten werden nach ANSI/ISA 76.00.02 Standard gefertigt, gemäß der New Sampling/Sensor Initiative (NeSSI). Wie bei den Stromumschaltventilen ist der interne Druckabfall wichtiger als das interne Volumen. Bei der Komponentenwahl sollten Sie den vom Hersteller angegebenen Cv vergleichen.

Andere in Probenkonditionierungssysteme eingesetzte Komponenten wie Filter, Abscheider und Koaleszenzfilter können signifikante Zeitverzögerung verursachen, da sie eingehende Proben mit alten Proben mischen lassen. Verbessern Sie die Zeitverzögerung, indem Sie einen Filter oder Abscheider so leeren, dass 95 % der alten Probe verschwunden sind. Leider erfordert dies das dreifache Volumen der Komponente. Das setzt benachbarte Ein- und Auslässe voraus, wie im untenstehenden Diagramm gezeigt.

Betrachten Sie einen Filter mit Ein- und Auslass wie im Diagramm konfiguriert. Bei einer Durchflussrate von 100 cm³/min und einem Filtervolumen von 100 cm³ dauert es drei Minuten, um sicherzustellen, dass 95 % der alten Probe ausgespült sind. Daher müssen für diese AI-System drei Minuten zur Zeitverzögerungsberechnung addiert werden. Dieselbe Formel lässt sich auf Mischvolumen in der Prozessleitung anwenden.

Analysator

Generell benötigt ein Gaschromatograph fünf bis zehn Minuten für die Probenanalyse. Infrarot- und Ultraviolett-Analysatoren arbeiten viel schneller und schließen Analysen innerhalb von Sekunden ab. Ein Analysatorspezialist, Techniker oder Ingenieur sollte die für den Analysator zur Probenverarbeitung benötigte Zeit kennen. Diese Zeit wird zu den oben diskutierten Schätzungen für die Gesamtzeitverzögerung vom Entnahmepunkt bis zum Analysator addiert.

Fazit

Die mit den beschriebenen Werkzeugen berechnete Gesamtzeitverzögerung sollte eine Schätzung innerhalb eines vernünftigen Fehlerrahmens liefern. Denken Sie daran: Es ist die Gesamtzeit von der überwachten Prozesseinheit bis zum Analysator, die zählt, und dass alle Komponenten, die diese Verzögerung ausmachen, zur Gesamtsumme addiert werden müssen. Zeitverzögerung ist ein Thema, das die genaue Prüfung des Analysatorspezialisten verdient. Falsche Annahmen über die Probenzeit, besonders bei typischen Problembereichen wie Lanze oder Verdampfungsregler in der Feldstation, untergraben die gesamte harte Arbeit des Analysatorspezialisten und machen den Analysator ineffektiv. Analysatorspezialisten, in Zusammenarbeit mit ihrem Fluidsystemanbieter oder Berater, können Zeitverzögerungen verbessern, indem sie intelligente Entscheidungen zu Komponenten und Konfigurationen hinsichtlich Entnahmepunktlage, Fast-Loop-Setup, passenden Rohrdurchmessern und Stromumschaltungs-Konfigurationen treffen.